Abstract A unique mutation in LRP5 is associated with high bone mass in man. Transgenic mice expressing this LRP5 mutation have a similar phenotype with high bone mass and enhanced strength. These results underscore the importance of LRP5 in skeletal regulation and suggest targets for therapies for bone disease. A mutation (G171V) in the low-density lipoprotein receptor related protein 5 (LRP5) has been associated with high bone mass (HBM) in two independent human kindreds. To validate the role of the mutation, several lines of transgenic mice were created expressing either the human LRP5 G171V substitution or the wildtype LRP5 gene in bone. Volumetric bone mineral density (vBMD) analysis by pQCT showed dramatic increases in both total vBMD (30-55%) and trabecular vBMD (103-250%) of the distal femoral metaphysis and increased cortical size of the femoral diaphysis in mutant G171V transgenics at 5, 9, 17, 26, and 52 weeks of age (p < 0.01 for all). In addition, high-resolution microcomputed tomography (microCT) analysis of the distal femorae and lumbar vertebrae revealed an increase (110-232%) in trabecular bone volume fraction caused by both increased trabecular number (41-74%) and increased trabecular thickness (34-46%; p < 0.01 for all) in the mutant G171V mice. The increased bone mass was associated with significant increases in vertebral compressive strength (80-140%) and the increased cortical size with significant increases in femoral bending strength (50-130%). There were no differences in osteoclast number at 17 weeks of age. However, compared with littermate controls, the mutant G171V transgenic mice showed an increase in actively mineralizing bone surface, enhanced alkaline phosphatase staining in osteoblasts, and a significant reduction in the number of TUNEL-positive osteoblasts and osteocytes. These results suggest that the increased bone mineral density in mutant G171V mice was caused by increased numbers of active osteoblasts, which could in part be because of their increased functional lifespan. While slight bone anabolic activity was observed from overexpression of the wildtype LRP5 gene, it is clear that the G171V mutation, rather than overexpression of the receptor itself, is primarily responsible for the dramatic HBM bone effects. Together, these findings establish the importance of this novel and unexpected role of a lipoprotein receptor in regulating bone mass and afford a new model to explore LRP5 and its recent association with Wnt signaling in bone biology.

Abstract In many low- and middle-income countries antibiotic resistant bacteria spread in the environment due to inadequate treatment of wastewater and the poorly regulated use of antibiotics in agri- and aquaculture. Here we characterised the abundance and diversity of antibiotic-resistant bacteria and antibiotic resistance genes in surface waters and sediments in Bangladesh through quantitative culture of Extended-Spectrum Beta-Lactamase (ESBL)-producing coliforms and shotgun metagenomics. Samples were collected from highly urbanised settings ( n = 7), from rural ponds with a history of aquaculture-related antibiotic use ( n = 11) and from rural ponds with no history of antibiotic use ( n = 6). ESBL-producing coliforms were found to be more prevalent in urban samples than in rural samples. Shotgun sequencing showed that sediment samples were dominated by the phylum Proteobacteria (on average 73.8% of assigned reads), while in the water samples Cyanobacteria (on average 60.9% of assigned reads) were the predominant phylum. Antibiotic resistance genes were detected in all samples, but their abundance varied 1,525-fold between sites, with the highest levels of antibiotic resistance genes being present in urban surface water samples. We identified an IncQ1 sulphonamide resistance plasmid ancestral to the widely studied RSF1010 in one of the urban water samples. The abundance of antibiotic resistance genes was significantly correlated (R 2 = 0.73; P = 8.9 × 10 −15 ) with the abundance of bacteria originating from the human gut, which suggests that the release of untreated sewage is a driver for the spread of environmental antibiotic resistance genes in Bangladesh, particularly in highly urbanised settings. Importance Low- and middle-income countries (LMICs) have higher burdens of multidrug-resistant infections than high-income countries and there is thus an urgent need to elucidate the drivers of the spread of antibiotic-resistant bacteria in LMICs. Here we study the diversity and abundance of antibiotic resistance genes in surface water and sediments from rural and urban settings in Bangladesh. We found that urban surface waters are particularly rich in antibiotic resistance genes, with a higher number of them associated with plasmids indicating that they are more likely to spread horizontally. The abundance of antibiotic resistance genes was strongly correlated with the abundance of bacteria that originate from the human gut, suggesting that uncontrolled release of human waste is a major driver for the spread of antibiotic resistance in the urban environment. Improvements in sanitation in LMICs may thus be a key intervention to reduce the dissemination of antibiotic resistant bacteria.

Abstract Antimicrobial resistance can arise in the natural environment via prolonged exposure to the effluent surrounding manufacturing facilities. These facilities also produce non-antibiotic pharmaceuticals, and the effect of these on the surrounding microbial communities is less clear; whether they have inherent toxicity, or whether long-term exposure might select for cross-resistance to antibiotics. To this end, we screened four non-antibiotic pharmaceuticals (acetaminophen, ibuprofen, propranolol, met formin) and titanium dioxide for toxicity against Escherichia coli K-12 MG1655 and conducted a 30 day selection experiment to assess the effect of long-term exposure. All compounds reduced the maximum optical density reached by E. coli at a range of concentrations including one of environmental relevance, with transcriptome analysis identifying upregulated genes related to stress response and multidrug efflux in response ibuprofen treatment. The non-antibiotic pharmaceuticals did not select for significant genetic changes following a 30 day exposure, and no evidence of selection for cross-resistance to antibiotics was observed for population evolved in the presence of ibuprofen in spite of the differential gene expression after exposure to this compound. This work suggests that these non-antibiotic pharmaceuticals, at environmental concentrations, do not select for cross-resistance to antibiotics in E. coli .

Abstract While conducting genomic surveillance of carbapenemase-producing Enterobacteriaceae (CPEs) from patient colonisation and clinical infections at Birmingham’s Queen Elizabeth Hospital (QE), we identified an N-type plasmid lineage, pQEB1, carrying several antibiotic resistance genes including the carbapenemase gene bla KPC-2 . The pQEB1 lineage is concerning due to its conferral of multi-drug resistance, its host range and apparent transmissibility, and its potential for acquiring further resistance genes. Representatives of pQEB1 were found in three sequence types (STs) of Citrobacter freundii , two STs of Enterobacter cloacae , and three species of Klebsiella . Hosts of pQEB1 were isolated from 11 different patients who stayed in various wards throughout the hospital complex over a 13-month period from January 2023 to February 2024. At present, the only representatives of the pQEB1 lineage in GenBank were carried by an Enterobacter hormaechei isolated from a blood sample at the QE in 2016 and a Klebsiella pneumoniae isolated from a urine sample at University Hospitals Coventry and Warwickshire (UHCW) in May 2023. The UHCW patient had been treated at the QE. Long-read whole-genome sequencing was performed on Oxford Nanopore R10.4.1 flow cells, facilitating comparison of complete plasmid sequences. We identified structural variants of pQEB1 and defined the molecular events responsible for them. These have included IS 26 -mediated inversions and acquisitions of multiple insertion sequences and transposons, including carriers of mercury or arsenic resistance genes. We found that a particular inversion variant of pQEB1 was strongly associated with the QE Liver speciality after appearing in November 2023, but was found in different specialities and wards in January/February 2024. That variant has so far been seen in five different bacterial hosts from six patients, consistent with recent and ongoing inter-host and inter-patient transmission of pQEB1 in this hospital setting.

Vulnerable patients in an intensive care unit (ICU) setting are at high risk of infection from bacteria including gut-colonising Escherichia coli and Klebsiella species. Complex ICU procedures often depend on successful antimicrobial treatment, underscoring the importance of understanding the extent of patient colonisation by multi-drug resistant organisms (MDRO) in large UK ICUs. Previous work on ICUs globally uncovered high rates of colonisation by and transmission of MDRO, but the situation in UK ICUs is less understood. Here, we investigated the diversity and antibiotic resistance gene (ARG) carriage of bacteria present in one of the largest UK ICUs at the Queen Elizabeth Hospital Birmingham (QEHB), focussing primarily on E. coli as both a widespread commensal and a globally disseminated multidrug resistant pathogen. Samples were taken during highly restrictive COVID-19 control measures from May - December 2021. Whole-genome and metagenomic sequencing were used to detect and report strain level colonisation of patients, focussing on E. coli sequence types (STs), their colonisation dynamics, and antimicrobial resistance (AMR) gene carriage. We found a lack of multidrug resistance (MDR) in the QEHB. Only one carbapenemase-producing organism was isolated, a Citrobacter carrying blaKPC-2. There was no evidence supporting the spread of this strain, and there was little evidence overall of nosocomial acquisition or circulation of colonising E. coli. Whilst 22 different E. coli STs were identified, only one strain of the pandemic ST131 lineage was isolated. This ST131 strain was non-MDR and was found to be a clade A strain, associated with low levels of antibiotic resistance. Overall, the QEHB ICU had very low levels of pandemic or MDR strains, a result which may be influenced in part by the strict COVID-19 control measures in place at the time. Employing some of these infection prevention and control measures where reasonable in all ICUs might therefore assist in maintaining low levels of nosocomial MDR.

Abstract Carbapenem resistance and other antibiotic resistance genes (ARGs) can be found in plasmids in Acinetobacter , but many plasmid types in this genus have not been well-characterised. Here we describe the distribution, diversity and evolutionary capacity of rep group 13 (GR13) plasmids that are found in Acinetobacter species from diverse environments. Our investigation was prompted by the discovery of two GR13 plasmids in A. baumannii isolated in an intensive care unit (ICU). The plasmids harbour distinct accessory genes: pDETAB5 contains bla NDM-1 and genes that confer resistance to four further antibiotic classes, while pDETAB13 carries putative alcohol tolerance determinants. Both plasmids contain multiple dif modules, which are flanked by p dif sites recognised by XerC/XerD tyrosine recombinases. The ARG-containing dif modules in pDETAB5 are almost identical to those found in pDETAB2, a GR34 plasmid from an unrelated A. baumannii isolated in the same ICU a month prior. Examination of a further 41 complete, publicly available plasmid sequences revealed that the GR13 pangenome consists of just four core but 1086 accessory genes, 123 in the shell and 1063 in the cloud, reflecting substantial capacity for diversification. The GR13 core genome includes genes for replication and partitioning, and for a putative tyrosine recombinase. Accessory segments encode proteins with diverse putative functions, including for metabolism, antibiotic/heavy metal/alcohol tolerance, restriction-modification, an anti-phage system and multiple toxin-antitoxin systems. The movement of dif modules and actions of insertion sequences play an important role in generating diversity in GR13 plasmids. Discrete GR13 plasmid lineages are internationally disseminated and found in multiple Acinetobacter species, which suggests they are important platforms for the accumulation, horizontal transmission and persistence of accessory genes in this genus. Impact statement Acinetobacter species are particularly well-adapted for persistence in hospital environments where they pose a life-threatening infection risk to the most clinically-vulnerable patients. Plasmids with the potential to transfer multiple antibiotic resistance determinants between Acinetobacter species are therefore concerning, but most are not well-characterised. This work sheds further light on the poorly-understood mobile gene pool associated with Acinetobacter . We show here that GR13 plasmids carry a small set of core genes but have access to a highly diverse set of accessory segments that might provide fitness advantages under certain conditions. The complex evolutionary dynamics of GR13 plasmids appear to be driven by the exchange of dif modules and by the actions of a diverse population of insertion sequences. The novel dif modules characterised here emphasise the broader importance of these elements to the dissemination of accessory genes in Acinetobacter . This study has improved our understanding of the diversity and distribution of dif modules, plasmids that carry them, and how both disseminate in the continuum of Acinetobacter populations that link hospitals and the wider environment.

Abstract Increased colonisation by antimicrobial resistant organisms is closely associated with international travel. This study investigated the diversity of mobile genetic elements involved with antimicrobial resistance (AMR) gene carriage in extended-spectrum beta-lactamase (ESBL) -producing Escherichia coli that colonised travellers to Laos. Long-read sequencing was used to reconstruct complete plasmid sequences from 49 isolates obtained from the daily stool samples of 23 travellers over a three-week period. This method revealed a collection of 105 distinct plasmids, 38.1% of which carried AMR genes. The plasmids in this population were diverse, mostly unreported and included 38 replicon types, with F-type plasmids (n=22) the most prevalent amongst those carrying AMR genes. Fine-scale analysis of all plasmids identified numerous AMR gene contexts and emphasised the importance of IS elements, specifically members of the IS 6 /IS 26 family, in the creation of complex multi-drug resistance regions. We found a concerning convergence of ESBL and colistin resistance determinants, with three plasmids from two different F-type lineages carrying bla CTX-M and mcr genes. The extensive diversity seen here highlights the worrying probability that stable new vehicles for AMR will evolve in E. coli populations that can disseminate internationally through travel networks. Impact Statement The global spread of AMR is closely associated with international travel. AMR is a severe global concern and has compromised treatment options for many bacterial pathogens, among them pathogens carrying ESBL and colistin resistance genes. Colonising MDR organisms have the potential to cause serious consequences. Infections caused by MDR bacteria are associated with longer hospitalisation, poorer patient outcomes, greater mortality, and higher costs compared to infections with susceptible bacteria. This study elucidates the numerous different types of plasmids carrying AMR genes in colonising ESBL-producing E. coli isolates found in faecal samples from in travellers to Vientiane, Laos. Here we add to known databases of AMR plasmids by adding these MDR plasmids found in Southeast Asia, an area of high AMR prevalence. We characterised novel AMR plasmids including complex ESBL ( bla CTX-M ) and colistin ( mcr ) resistance co-carriage plasmids, emphasising the potential exposure of travellers to Laos to a wide variety of mobile genetic elements that may facilitate global AMR spread. This in-depth study has revealed further detail of the numerous factors that may influence AMR transfer, therefore potential routes of AMR spread internationally, and is a step towards finding methods to combat AMR spread. Data Summary Long-read sequencing data is available through National Center for Biotechnology Information under the BioProject PRJNA853172. Complete plasmid sequences have been uploaded to GenBank with accession numbers in supplementary S1. The authors confirm all supporting data, code and protocols have been provided within the article or through supplementary data files.

ABSTRACT Antimicrobial resistance in bacteria is a threat to both human and animal health. We aimed to understand the impact of domestication and antimicrobial treatment on the types and numbers of resistant bacteria, antibiotic resistance genes (ARGs), and class 1 integrons (C1I) in the equine gut microbiome. Antibiotic-resistant faecal bacteria were isolated from wild horses, healthy farm horses, and horses undergoing veterinary treatment, and isolates (9,083 colonies) were screened by PCR for C1I; these were found at frequencies of 9.8% (vet horses), 0.31% (farm horses), and 0.05% (wild horses). A collection of 71 unique C1I + isolates (17 Actinobacteria and 54 Proteobacteria) was subjected to resistance profiling and genome sequencing. Farm horses yielded mostly C1I + Actinobacteria ( Rhodococcus, Micrococcus, Microbacterium, Arthrobacter, Glutamibacter, Kocuria) , while vet horses primarily gave C1I + Proteobacteria ( Escherichia, Klebsiella, Enterobacter, Pantoea, Acinetobacter, Leclercia, Ochrobactrum) ; the vet isolates had more extensive resistance and stronger P C promoters in the C1Is. All integrons in Actinobacteria were flanked by copies of IS 6100 , except in Micrococcus , where a novel IS 5 family element (IS Mcte1 ) was implicated in mobilization. In the Proteobacteria, C1I’s were predominantly associated with IS 26 , and also IS 1 , Tn 21 , Tn 1721 , Tn 512 , and a putative formaldehyde-resistance transposon (Tn 7489 ). Several large C1I-containing plasmid contigs were retrieved; two of these (plasmid types Y and F) also had extensive sets of metal resistance genes, including a novel copper-resistance transposon (Tn 7519 ). Both veterinary treatment and domestication increase the frequency of C1I’s in equine gut microflora, and each of these anthropogenic factors selects for a distinct group of integron-containing bacteria. IMPORTANCE There is increasing acknowledgement that a ‘One Health’ approach is required to tackle the growing problem of antimicrobial resistance. This requires that the issue is examined from not only the perspective of human medicine, but also includes consideration of the roles of antimicrobials in veterinary medicine and agriculture, and recognises the importance of other ecological compartments in the dissemination of ARGs and mobile genetic elements such as C1I. We have shown that domestication and veterinary treatment increase the frequency of occurrence of C1I’s in the equine gut microflora, and that in healthy farm horses, the C1I are unexpectedly found in Actinobacteria, while in horses receiving antimicrobial veterinary treatments, a taxonomic shift occurs, and the more typical integron-containing Proteobacteria are found. We identified several new mobile genetic elements (plasmids, IS and transposons) on genomic contigs from the integron-containing equine bacteria.

Abstract Antimicrobial resistance (AMR) is a growing problem, especially in Gram-negative Enterobacteriaceae such as Klebsiella pneumoniae . Horizontal transfer of conjugative plasmids contributes to AMR gene dissemination. Bacteria such as K. pneumoniae commonly exist in biofilms, yet most studies focus on planktonic cultures. Here we studied the transfer of a multidrug resistance plasmid in planktonic and biofilm populations of K. pneumoniae . We determined plasmid transfer from a clinical isolate, CPE16, which carried four plasmids, including the 119-kbp bla NDM-1 -bearing F-type plasmid pCPE16_3, in planktonic and biofilm conditions. We found that transfer frequency of pCPE16_3 in a biofilm was orders-of-magnitude higher than between planktonic cells. In 5/7 sequenced transconjugants multiple plasmids had transferred. Plasmid acquisition had no detectable growth impact on transconjugants. Gene expression of the recipient and a transconjugant was investigated by RNA-sequencing in three lifestyles: planktonic exponential growth, planktonic stationary phase, and biofilm. We found that lifestyle had a substantial impact on chromosomal gene expression, and plasmid carriage affected chromosomal gene expression most in stationary planktonic and biofilm lifestyles. Furthermore, expression of plasmid genes was lifestyle-dependent, with unique signatures across the three conditions. Our study shows that growth in biofilm greatly increased the risk of conjugative transfer of a carbapenem resistance plasmid in K. pneumoniae without fitness costs and minimal transcriptional rearrangements, thus highlighting the importance of biofilms in the spread of AMR in this opportunistic pathogen. Importance Carbapenem-resistant K. pneumoniae is particularly problematic in hospital settings. Carbapenem resistance genes can transfer between bacteria via plasmid conjugation. Alongside drug resistance, K. pneumoniae can form biofilms on hospital surfaces, at infection sites and on implanted devices. Biofilms are naturally protected and can be inherently more tolerant to antimicrobials than their free-floating counterparts. There have been indications that plasmid transfer may be more likely in biofilm populations, thus creating a conjugation ‘hotspot’. However, there is no clear consensus on the effect of the biofilm lifestyle on plasmid transfer. Therefore, we aimed to explore the relationship between plasmid transfer and biofilms, and the impact of plasmid acquisition on the host bacterial cell. Our data show resistance plasmid transfer is greatly increased in a biofilm versus planktonic growth, which may be a significant contributing factor to the rapid dissemination of resistance plasmids in K. pneumoniae .

Abstract The repeated emergence of multi-drug resistant (MDR) Escherichia coli clones is a threat to public health globally. In recent work, drug resistant E. coli were shown to be capable of displacing commensal E. coli in the human gut. Given the rapid colonisation observed in travel studies, it is possible that the presence of a type VI secretion system (T6SS) may be responsible for the rapid competitive advantage of drug resistant E. coli clones. We employed large scale genomic approaches to investigate this hypothesis. First, we searched for T6SS genes across a curated dataset of over 20,000 genomes representing the full phylogenetic diversity of E. coli . This revealed large, non-phylogenetic variation in the presence of T6SS genes. No association was found between T6SS gene carriage and MDR lineages. However, multiple clades containing MDR clones have lost essential structural T6SS genes. We characterised the T6SS loci of ST410 and ST131 and identified specific recombination and insertion events responsible for the parallel loss of essential T6SS genes in two MDR clones. Data Summary The genome sequence data generated in this study is publicly available from NCBI under BioProject PRJNA943186, alongside a complete assembly in GenBank under accessions CP120633 - CP120634 . All other sequence data used in this paper has been taken from ENA with the appropriate accession numbers listed within the methods section. The E. coli genome data sets used in this work are from a previous publication, the details of which can be found in the corresponding supplementary data files 10.6084/m9.figshare.21360108 [1]. Impact Statement Escherichia coli is a globally significant pathogen that causes the majority of urinary tract infections. Treatment of these infections is exacerbated by increasing levels of drug resistance. Pandemic multi-drug resistant (MDR) clones, such as ST131-C2/H30Rx, contribute significantly to global disease burden. MDR E. coli clones are able to colonise the human gut and displace the resident commensal E. coli . It is important to understand how this process occurs to better understand why these pathogens are so successful. Type VI secretion systems may be one of the antagonistic systems employed by E. coli in this process. Our findings provide the first detailed characterisation of the T6SS loci in ST410 and ST131 and shed light on events in the evolutionary pathways of the prominent MDR pathogens ST410-B4/H42RxC and ST131-C2/H30Rx.